基于硫平衡计算的低硫烧结原料控制标准

D0I:10.13374.issn1001-053x.2012.10.007 第34卷第10期 北京科技大学学报 Vol.34 No.10 2012年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2012 基于硫平衡计算的低硫烧结原料控制标准 刘征建2四张建良12》 安钢》杨天钧2) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 3)首钢京唐钢铁公司烧结分厂，唐山063200 ☒通信作者，E-mail:liuzhengjian@126.com 摘要首先根据首钢京唐钢铁公司烧结生产数据进行系统的硫平衡计算，分析各种烧结原料对废气中S02排放量的影响 权重，并在此基础上作合理假设，结合国家标准对于不同烧结机$02排放量的统一计量方法，推导出烧结原料硫含量与$02 排放量判定指标的关系式，建立低硫烧结原料控制标准。首钢京唐钢铁公司烧结生产若要满足S00mgm·的S02质量浓度限 值，需要将混合料中硫的质量分数降至0.032%以下；若要满足200mg"m·的S02质量浓度限值，需要将混合料硫的质量分数 降至0.013%以下，而这在当前的原料条件下是难以实现的 关键词烧结：二氧化硫：排放控制：计算 分类号T℉046.4 Control criterion of low-sulfur sintering materials based on sulfur balance calcu- lations LIU Zheng jian),ZHANG Jian-liang),AN Gang,YANG Tian-jun') 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Shougang Jiangtang Steel Sintering Plant,Tangshan 063200,China Corresponding author,E-mail:liuzhengjian@126.com ABSTRACT Sulfur balance calculations were performed according to production data from Shougang Jingtang Steel Sintering Plant. The impact weight of each sintering material on SO concentration in sintering waste gas was analyzed,based on which some reasonable assumptions were made.In combination with the uniform measurement method of S0,emission concentration for different sintering machines in Chinese standards,a relation formula between sulfur content in the sintering materials and judging index for S0,emission concentration was deduced and a control criterion for low-sulfur sintering materials was established.If Shougang Jingtang Steel Sintering Plant wants to meet the SO,emission concentration of 500 mgm3,the sulfur content in the sintering mixture need reduce to below 0.032%if it wants to meet the SO emission concentration of 200mg*m,the sulfur content in the sintering mixture need reduce to below 0.013%,but it is very difficult to realize under the current material condition. KEY WORDS ore sintering:sulfur dioxide;emission control:calculations 烧结原料带入硫量的高低一般以硫负荷的大小 足SO,排放质量浓度限值.尽管硫负荷的大小可以 来判断，硫负荷定义为每吨成品烧结矿由原料带入 在一定程度上表示烧结原料带入硫量的高低，但是 硫的总量0.目前控制烧结工序$O,排放的一个重 具体关于烧结原料硫含量与实际S02排放质量浓度 要考核指标是$0，排放质量浓度限值回，低硫烧结 的量化关系仍不清楚.为了明确低硫烧结原料的控 原料就是指在使用其在进行烧结生产时，烧结烟气 制标准，下面首先进行针对首钢京唐钢铁公司烧结 不经过稀释或烟气脱硫等措施而直接排放，即可满 工序硫平衡计算，明确各种烧结原料对废气中$02 收稿日期：2012-08-26 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAE03A0I)

第 34 卷 第 10 期 2012 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 10 Oct． 2012 基于硫平衡计算的低硫烧结原料控制标准 刘征建1，2) ! 张建良1，2) 安 钢3) 杨天钧1，2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 3) 首钢京唐钢铁公司烧结分厂，唐山 063200 !通信作者，E-mail: liuzhengjian@ 126． com 摘 要 首先根据首钢京唐钢铁公司烧结生产数据进行系统的硫平衡计算，分析各种烧结原料对废气中 SO2 排放量的影响 权重，并在此基础上作合理假设，结合国家标准对于不同烧结机 SO2 排放量的统一计量方法，推导出烧结原料硫含量与 SO2 排放量判定指标的关系式，建立低硫烧结原料控制标准． 首钢京唐钢铁公司烧结生产若要满足 500 mg·m － 3 的 SO2 质量浓度限 值，需要将混合料中硫的质量分数降至 0. 032% 以下; 若要满足 200 mg·m － 3 的 SO2 质量浓度限值，需要将混合料硫的质量分数 降至 0. 013% 以下，而这在当前的原料条件下是难以实现的． 关键词 烧结; 二氧化硫; 排放控制; 计算 分类号 TF046. 4 Control criterion of low-sulfur sintering materials based on sulfur balance calcu￾lations LIU Zheng-jian1，2) !，ZHANG Jian-liang1，2) ，AN Gang3) ，YANG Tian-jun1，2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Shougang Jiangtang Steel Sintering Plant，Tangshan 063200，China !Corresponding author，E-mail: liuzhengjian@ 126． com ABSTRACT Sulfur balance calculations were performed according to production data from Shougang Jingtang Steel Sintering Plant． The impact weight of each sintering material on SO2 concentration in sintering waste gas was analyzed，based on which some reasonable assumptions were made． In combination with the uniform measurement method of SO2 emission concentration for different sintering machines in Chinese standards，a relation formula between sulfur content in the sintering materials and judging index for SO2 emission concentration was deduced and a control criterion for low-sulfur sintering materials was established． If Shougang Jingtang Steel Sintering Plant wants to meet the SO2 emission concentration of 500 mg·m － 3 ，the sulfur content in the sintering mixture need reduce to below 0. 032% ; if it wants to meet the SO2 emission concentration of 200 mg·m － 3 ，the sulfur content in the sintering mixture need reduce to below 0. 013% ，but it is very difficult to realize under the current material condition． KEY WORDS ore sintering; sulfur dioxide; emission control; calculations 收稿日期: 2012--08--26 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重大项目( 2006BAE03A01) 烧结原料带入硫量的高低一般以硫负荷的大小 来判断，硫负荷定义为每吨成品烧结矿由原料带入 硫的总量［1］． 目前控制烧结工序 SO2 排放的一个重 要考核指标是 SO2 排放质量浓度限值［2］，低硫烧结 原料就是指在使用其在进行烧结生产时，烧结烟气 不经过稀释或烟气脱硫等措施而直接排放，即可满 足 SO2 排放质量浓度限值． 尽管硫负荷的大小可以 在一定程度上表示烧结原料带入硫量的高低，但是 具体关于烧结原料硫含量与实际 SO2 排放质量浓度 的量化关系仍不清楚． 为了明确低硫烧结原料的控 制标准，下面首先进行针对首钢京唐钢铁公司烧结 工序硫平衡计算，明确各种烧结原料对废气中 SO2 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.10.007

第10期 刘征建等：基于硫平衡计算的低硫烧结原料控制标准 ·1109· 排放质量浓度的影响权重. 333.81kgh-1 (4)除尘灰带入.除尘灰包括高炉除尘灰和烧 1烧结工序硫平衡计算 结除尘灰，两种除尘灰的成分差别较大，一般来说高 硫平衡计算按每小时的质量来进行，即kgh 炉除尘灰含碳较多，而烧结除尘灰含铁较多 1.1硫收入项 S高护降尘灰=G高护障尘灰X高护除尘灰×10°， (7) (1)混匀矿带入.混匀矿是经过原料厂混合之 S绕结除尘灰=G绕结除尘灰X挠结除尘灰×10'。 (8) 后的大堆料，使用时间长且成分相对稳定 式中：S高炉除尘实为高炉除尘灰带入硫的质量，kgh1; S混匀r=G程匀gX混匀矿×103. (1) G高种除尘灰为高炉除尘灰上料质量（干基），t·h: 式中：S强匀r为混匀矿带入硫的质量，kgh-:G混匀旷 X高炉除尘灰为高炉除尘灰中硫的质量分数；S烧结除尘灰为 为混匀矿的上料质量（干基），h-;X矿为混匀矿 烧结除尘灰带入硫的质量，kgh:G结除尘疾为烧结 带入硫的质量分数 除尘灰上料质量（干基），th:X结除尘灰为烧结除 因为混匀矿一般由多种含铁原料组成，所以 尘灰中硫的质量分数. 又有 高炉除尘灰的上料质量为8.29th1,带入硫 Sr=】 ,S混匀” (2) 的质量分数为0.20%，通过式(7)计算S高炉除尘灰为 16.57kgh-1;对于烧结除尘灰，除3、4电场除尘灰 式中，S:为混匀矿中第i种含铁原料带入硫的质 由于K、Na等有害元素含量较高而直接外排以外， 量，kgh 其余收集的烧结除尘灰均重新参加配料，上料质量 S匀：=G裙rP裙剑rX裙约m×103. (3) 为12.43th,带入硫的质量分数为0.30%，通过 式中，P旷：为混匀矿中第i种含铁原料的质量分 式(8)计算S秘结除生灰为37.28kgh. 数，X湿为混匀矿中第i种含铁原料中带入硫的质 (⑤)返矿带入.返矿包括高炉返矿（外返）和烧 量分数. 结返矿（内返）. 混匀矿（干基）上料的质量为669.85th1,混 S返矿=S高运返矿+S烧结返矿， (9) 匀矿带入疏的质量分数为0.024%，通过式(1)计算 S高护运矿=G高护返rX高护返r×10', (10) 得S匀g矿=160.76kgh-1 S烧结返矿=G绕结返X烧结返矿×103， (11) (2)熔剂带入 式中：S运r为返矿带入硫的质量，kgh-;G商护返r为 S体剂=∑S (4) 高炉返矿上料质量（干基），th';X商炉驱r为高炉返 矿带入硫的质量分数：S烧结运为烧结返矿带入硫的 S熔额=G熔剂X熔糖×103 (5) 质量，kgh-:G桃结返r为烧结返矿上料质量（干基）， 式中：S刺为熔剂带入硫的总质量，kgh;S络籼为 h':X结运矿为烧结返矿带入硫的质量分数. 第i种熔剂带入硫的质量，kgh;G熔籼为第i种熔 返矿的总上料质量为165.70th1,返矿总带 剂的上料质量（干基），th;X熔为第i种熔剂中 入硫的质量分数为0.011%，通过式(9)~(11)计算 硫的质量分数 S返r为18.23kgh-. 使用的熔剂有生石灰、石灰石和白云石，它们的 (6)气体燃料带入 上料质量分别为41.43、5.80和69.18th-1,带入硫 S气体槛料=Q气体槛料C气体槛料×10-6。 (12) 的质量分数分别为0.13%、0.02%和0.016%，通过 式中：S气体燃料为气体燃料带入硫的质量，kg·h; 式(5)计算得S生石灰S石灰石和S白云石分别为53.85、 Q气体燃料为标准状态下的干气体燃料流量，m3·h1: 1.16和11.07kgh-1. C气体燃料为气体燃料中硫的质量浓度，mg·m-3 (3)固体燃料带入. 点火气体燃料采用焦炉煤气，流量为 S固体燃料=G固体燃料X周体燃料×103。 (6) 100m3h-1,焦炉煤气中硫主要以H,S形态存在， 式中：S假体燃料为固体燃料带入硫的质量，kg~h； 其中H,S的质量浓度为20mg°m3,通过式(12)计 G圆体料为固体燃料上料质量（干基），“h:X周体燃料 算S焦炉煤气约为0.032kgh. 为固体燃料中硫的质量分数 1.2硫支出项 采用的固体燃料是焦粉，上料量为42.25th-1, (1)烧结矿残留. 硫的质量分数为0.79%，通过式(6)计算S粉为 S桃结矿=G桃结矿X绕结矿×10. (13)

第 10 期 刘征建等: 基于硫平衡计算的低硫烧结原料控制标准 排放质量浓度的影响权重． 1 烧结工序硫平衡计算 硫平衡计算按每小时的质量来进行，即 kg·h － 1 ． 1. 1 硫收入项 ( 1) 混匀矿带入． 混匀矿是经过原料厂混合之 后的大堆料，使用时间长且成分相对稳定． S混匀矿 = G混匀矿X混匀矿 × 103 ． ( 1) 式中: S混匀矿 为混匀矿带入硫的质量，kg·h － 1 ; G混匀矿 为混匀矿的上料质量( 干基) ，t·h － 1 ; X混匀矿 为混匀矿 带入硫的质量分数． 因为混匀矿一般由多种含铁原料组成，所以 又有 S混匀矿 = ∑ n i = 1 S混匀矿i ． ( 2) 式中，S混匀矿i为混匀矿中第 i 种含铁原料带入硫的质 量，kg·h － 1 ． S混匀矿i = G混匀矿P混匀矿iX混匀矿i × 103 ． ( 3) 式中，P混匀矿i为混匀矿中第 i 种含铁原料的质量分 数，X混匀矿i为混匀矿中第 i 种含铁原料中带入硫的质 量分数． 混匀矿( 干基) 上料的质量为 669. 85 t·h － 1 ，混 匀矿带入硫的质量分数为 0. 024% ，通过式( 1) 计算 得 S混匀矿 = 160. 76 kg·h － 1 ． ( 2) 熔剂带入． S熔剂 = ∑ n i = 1 S熔剂i， ( 4) S熔剂i = G熔剂iX熔剂i × 103 ． ( 5) 式中: S熔剂 为熔剂带入硫的总质量，kg·h － 1 ; S熔剂i 为 第 i 种熔剂带入硫的质量，kg·h － 1 ; G熔剂i为第 i 种熔 剂的上料质量( 干基) ，t·h － 1 ; X熔剂i为第 i 种熔剂中 硫的质量分数． 使用的熔剂有生石灰、石灰石和白云石，它们的 上料质量分别为 41. 43、5. 80 和 69. 18 t·h － 1 ，带入硫 的质量分数分别为 0. 13% 、0. 02% 和 0. 016% ，通过 式( 5) 计算得 S生石灰、S石灰石 和 S白云石 分别为 53. 85、 1. 16 和 11. 07 kg·h － 1 ． ( 3) 固体燃料带入． S固体燃料 = G固体燃料X固体燃料 × 103 ． ( 6) 式中: S固体燃料 为固体燃料带入硫的质量，kg·h － 1 ; G固体燃料为固体燃料上料质量( 干基) ，t·h － 1 ; X固体燃料 为固体燃料中硫的质量分数． 采用的固体燃料是焦粉，上料量为42. 25 t·h － 1 ， 硫的质量分数为 0. 79% ，通过式( 6) 计算 S焦粉 为 333. 81 kg·h － 1 ． ( 4) 除尘灰带入． 除尘灰包括高炉除尘灰和烧 结除尘灰，两种除尘灰的成分差别较大，一般来说高 炉除尘灰含碳较多，而烧结除尘灰含铁较多［3］． S高炉除尘灰 = G高炉除尘灰X高炉除尘灰 × 103 ， ( 7) S烧结除尘灰 = G烧结除尘灰X烧结除尘灰 × 103 ． ( 8) 式中: S高炉除尘灰为高炉除尘灰带入硫的质量，kg·h － 1 ; G高炉除尘灰 为高炉除尘灰上料质量 ( 干 基) ，t·h － 1 ; X高炉除尘灰为高炉除尘灰中硫的质量分数; S烧结除尘灰 为 烧结除尘灰带入硫的质量，kg·h － 1 ; G烧结除尘灰 为烧结 除尘灰上料质量( 干基) ，t·h － 1 ; X烧结除尘灰 为烧结除 尘灰中硫的质量分数． 高炉除尘灰的上料质量为 8. 29 t·h － 1 ，带入硫 的质量分数为 0. 20% ，通过式( 7) 计算 S高炉除尘灰 为 16. 57 kg·h － 1 ; 对于烧结除尘灰，除 3、4 电场除尘灰 由于 K、Na 等有害元素含量较高而直接外排以外， 其余收集的烧结除尘灰均重新参加配料，上料质量 为 12. 43 t·h － 1 ，带入硫的质量分数为 0. 30% ，通过 式( 8) 计算 S烧结除尘灰为 37. 28 kg·h － 1 ． ( 5) 返矿带入． 返矿包括高炉返矿( 外返) 和烧 结返矿( 内返) ． S返矿 = S高返返矿 + S烧结返矿， ( 9) S高炉返矿 = G高炉返矿X高炉返矿 × 103 ， ( 10) S烧结返矿 = G烧结返矿X烧结返矿 × 103 ， ( 11) 式中: S返矿 为返矿带入硫的质量，kg·h － 1 ; G高炉返矿 为 高炉返矿上料质量( 干基) ，t·h － 1 ; X高炉返矿 为高炉返 矿带入硫的质量分数; S烧结返矿 为烧结返矿带入硫的 质量，kg·h － 1 ; G烧结返矿 为烧结返矿上料质量( 干基) ， t·h － 1 ; X烧结返矿为烧结返矿带入硫的质量分数． 返矿的总上料质量为 165. 70 t·h － 1 ，返矿总带 入硫的质量分数为 0. 011% ，通过式( 9) ～ ( 11) 计算 S返矿为 18. 23 kg·h － 1 ． ( 6) 气体燃料带入． S气体燃料 = Q气体燃料C气体燃料 × 10 － 6 ． ( 12) 式中: S气体燃料 为气体燃料带入硫的质量，kg·h － 1 ; Q气体燃料为标准状态下的干气体燃料流量，m3 ·h － 1 ; C气体燃料为气体燃料中硫的质量浓度，mg·m － 3 ． 点火气体燃料采用焦炉煤气，流 量 为 1 700 m3 ·h － 1 ，焦炉煤气中硫主要以 H2 S 形态存在， 其中 H2 S 的质量浓度为 20 mg·m － 3 ，通过式( 12) 计 算 S焦炉煤气约为 0. 032 kg·h － 1 ． 1. 2 硫支出项 ( 1) 烧结矿残留． S' 烧结矿 = G' 烧结矿X' 烧结矿 × 103 ． ( 13) ·1109·

·1110 北京科技大学学报 第34卷 式中：S结r为烧结矿携带硫的质量，kgh:G结矿 为成品烧结矿的台时产量，th;X结r为烧结矿硫 S统结废气=2Q统结皮气×60C统结度气×10-6。(16) 质量分数 式中：S桃结废气为烧结废气携带硫的质量，kg·h-; 成品烧结矿的台时产量为750th1,其中产出 Q绕结废气，d为标准状态下的干烟气流量，m3·min1: 硫的质量分数为0.011%，通过式(13)计算S桃结为 C桃结废气为标准状态下干烟气中S02质量浓度， 82.50kgh mg.m-3 (2)返矿残留. Q绕结废气，d= S返r=G返rX返矿×103. (14) 0.0027Q绕结废气.（1-C) 101325-P 式中：Sr为返矿携带硫的质量，kgh:G运矿 273+t。 .(17) 为返矿的产量，th;X返r为返矿中硫的质量分数. 式中：Q'烧结废气，为工作状态下的烟气流量， 在烧结生产稳定时，高炉返矿和烧结返矿都能 m3·minl:C:为工作状态下烟气中的水蒸气质量分 达到平衡0，即产生的返矿量等于配入的返矿量 数：P为工作状态下的烟气负压，Pa;t,为工作状态 并且返矿的硫含量波动较小，基本保持不变，所以 下的烟气温度，℃ S返矿=S返r=18.23kgh-1 首钢京唐钢铁公司烧结厂1号550m'烧结机有 (3)烧结粉尘携带. 两条烟道，两条烟道的工作状态基本相同，以其中一 S桃结粉尘=G烧结粉尘X绕结粉尘×10'。 (15) 条烟道的工作状态为例，风机入口的烟气流量为 式中：S结尘为烧结粉尘携带硫的质量，kg·h-1; 21000m3·min,水蒸气的质量分数为10%，烟气 G结粉全为烧结粉尘的产量，h';X斑结尘为产出烧 温度为140℃，负压为17000Pa,S02质量浓度为 结粉尘中硫的质量分数 780mg·m-3.通过式(16)和(17)计算S烧结废气为 根据烧结生产经验，烧结粉尘产生质量约占成 486.68kgh-1. 品烧结矿质量的2%，所以粉尘量计为15th-1,产 1.3硫平衡表 生粉尘中硫的质量分数为0.30%，通过式(15)计算 硫平衡计算结果如表1所示，其中支出项总和 S烧结粉尘为45.00kgh-1 与收入项总和的误差为0.055%，满足计算精度 (4)烧结废气携带 要求 表1首钢京唐钢铁公司烧结工序硫平衡计算 Table 1 Sulfur balance calculations for Shougang Jingtang Steel Sintering Process 收入 支出 项目 带入硫质量/(kgh) 带入硫质量分数/% 项目 携带硫质量/(kgh1)携带硫质量分数/% 混匀矿带入 160.76 25.41 烧结矿残留 82.50 13.05 生石灰带入 53.85 8.51 返矿残留 18.23 2.88 石灰石带入 1.16 0.18 烧结粉尘携带 45.00 7.12 白云石带入 11.07 1.75 烧结废气携带 486.68 76.96 焦粉带入 333.81 52.75 高炉除尘灰带入 16.57 2.62 烧结除尘灰带入 37.28 5.89 返矿带入 18.23 2.88 焦炉煤气带入 0.03 0.01 合计 632.76 100.00 合计 632.41 100.00 2 各种烧结原料对废气中S0,质量浓度影 硫含量的大小对废气中SO,质量浓度的影响最大. 表1中混匀矿带入硫的质量分数仅为25.41%，低 响的权重分析 于焦粉带入的52.75%.这是因为首钢京唐钢铁公 2.1混匀矿 司混匀矿中硫的质量分数低，仅为0.024%；同时由 混匀矿是烧结原料中配比最大的部分，所以其 于焦粉中硫的质量分数较高，达到0.79%.若在混

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 式中: S' 烧结矿为烧结矿携带硫的质量，kg·h － 1 ; G' 烧结矿 为成品烧结矿的台时产量，t·h － 1 ; X' 烧结矿 为烧结矿硫 质量分数． 成品烧结矿的台时产量为 750 t·h － 1 ，其中产出 硫的质量分数为 0. 011% ，通过式( 13) 计算 S' 烧结矿 为 82. 50 kg·h － 1 ． ( 2) 返矿残留． S' 返矿 = G' 返矿X' 返矿 × 103 ． ( 14) 式中: S' 返矿 为返矿携带硫的质量，kg·h － 1 ; G' 返矿 为返矿的产量，t·h － 1 ; X' 返矿为返矿中硫的质量分数． 在烧结生产稳定时，高炉返矿和烧结返矿都能 达到平衡［4］，即产生的返矿量等于配入的返矿量． 并且返矿的硫含量波动较小，基本保持不变，所以 S' 返矿 = S返矿 = 18. 23 kg·h － 1 ． ( 3) 烧结粉尘携带． S' 烧结粉尘 = G' 烧结粉尘X' 烧结粉尘 × 103 ． ( 15) 式中: S' 烧结粉尘 为烧结粉尘携带硫的质量，kg·h － 1 ; G' 烧结粉尘为烧结粉尘的产量，t·h － 1 ; X' 烧结粉尘 为产出烧 结粉尘中硫的质量分数． 根据烧结生产经验，烧结粉尘产生质量约占成 品烧结矿质量的 2% ，所以粉尘量计为 15 t·h － 1 ，产 生粉尘中硫的质量分数为 0. 30% ，通过式( 15) 计算 S' 烧结粉尘为 45. 00 kg·h － 1 ． ( 4) 烧结废气携带． S' 烧结废气 = 1 2 Q' 烧结废气，nd × 60C' 烧结废气 × 10 － 6 ． ( 16) 式中: S' 烧结废气 为烧结废气携带硫的质量，kg·h － 1 ; Q' 烧结废气，nd为标准状态下的干烟气流量，m3 ·min － 1 ; C' 烧结废气 为标准状态下干烟气中 SO2 质 量 浓 度， mg·m － 3 ． Q' 烧结废气，nd = 0. 002 7Q' 烧结废气，a ( 1 － C' W ) × 101 325 － Pa 273 + ta ． ( 17) 式 中: Q' 烧结废气，a 为工作状态下的烟气流量， m3 ·min － 1 ; C' W为工作状态下烟气中的水蒸气质量分 数; Pa为工作状态下的烟气负压，Pa; ta为工作状态 下的烟气温度，℃ ． 首钢京唐钢铁公司烧结厂 1 号 550 m2 烧结机有 两条烟道，两条烟道的工作状态基本相同，以其中一 条烟道的工作状态为例，风机入口的烟气流量为 21 000 m3 ·min － 1 ，水蒸气的质量分数为 10% ，烟气 温度为 140 ℃，负压为 17 000 Pa，SO2 质量浓度为 780 mg·m － 3 ． 通过式( 16) 和( 17) 计算 S' 烧结废气 为 486. 68 kg·h － 1 ． 1. 3 硫平衡表 硫平衡计算结果如表 1 所示，其中支出项总和 与收入项总和的误差为 0. 055% ，满 足 计 算 精 度 要求． 表 1 首钢京唐钢铁公司烧结工序硫平衡计算 Table 1 Sulfur balance calculations for Shougang Jingtang Steel Sintering Process 收入 支出 项目 带入硫质量/( kg·h － 1 ) 带入硫质量分数/% 项目 携带硫质量/( kg·h － 1 ) 携带硫质量分数/% 混匀矿带入 160. 76 25. 41 烧结矿残留 82. 50 13. 05 生石灰带入 53. 85 8. 51 返矿残留 18. 23 2. 88 石灰石带入 1. 16 0. 18 烧结粉尘携带 45. 00 7. 12 白云石带入 11. 07 1. 75 烧结废气携带 486. 68 76. 96 焦粉带入 333. 81 52. 75 高炉除尘灰带入 16. 57 2. 62 烧结除尘灰带入 37. 28 5. 89 返矿带入 18. 23 2. 88 焦炉煤气带入 0. 03 0. 01 合计 632. 76 100. 00 合计 632. 41 100. 00 2 各种烧结原料对废气中 SO2 质量浓度影 响的权重分析 2. 1 混匀矿 混匀矿是烧结原料中配比最大的部分，所以其 硫含量的大小对废气中 SO2 质量浓度的影响最大． 表 1 中混匀矿带入硫的质量分数仅为 25. 41% ，低 于焦粉带入的 52. 75% ． 这是因为首钢京唐钢铁公 司混匀矿中硫的质量分数低，仅为 0. 024% ; 同时由 于焦粉中硫的质量分数较高，达到 0. 79% ． 若在混 ·1110·

第10期 刘征建等：基于硫平衡计算的低硫烧结原料控制标准 ·1111· 匀矿中配入硫含量较高的铁矿粉，如我国攀钢的钛 2.7气体燃料 精矿（硫质量分数达到0.19%），则混匀矿带入硫的 如表1所示，焦炉煤气带入硫的质量分数最小， 质量分数将大幅增加. 这是由于对于每吨成品烧结矿而言，气体燃料的使 2.2熔剂 用量远小于混合料量，假设首钢京唐钢铁公司所使 熔剂与铁矿粉和焦粉相比，成分波动相对较大， 用焦炉煤气中的H2S含量增加100倍，带入硫的质 硫含量也不稳定.在过去，熔剂对烧结$02质量浓 量分数也仅是从0.005%增加到0.5%，带入硫的质 度的影响一直未得到重视.但是，随着焙烧石灰所 量分数仍然很小，所以气体燃料对烧结废气S02浓 用燃料硫含量不断增加，使得生石灰硫含量变大：并 度的影响很小. 且由于生石灰在改善制粒效果和提高料温等方面的 综合来看，混匀矿、焦粉和熔剂对烧结废气S0, 优势，使得生石灰的配比逐渐变大.两方面的因素 的浓度影响较大：高炉除尘灰的影响作用视其他原 共同造成生石灰带入硫的质量分数不断增加.从表 料硫含量而定，当其他原料硫含量较低时，高炉除尘 1可见，由于首钢京唐公司烧结用生石灰硫质量分 灰的影响作用变大，反之亦然；返矿、烧结除尘灰和 数高达0.13%，生石灰带入硫的质量分数很大，达 点火气体燃料对烧结废气$02浓度的影响很小，可 到8.51%，所以应重视熔剂对烧结S02浓度的 以不作考虑. 影响 3 低硫烧结原料控制标准 2.3固体燃料 无论是焦粉还是无烟煤，硫的质量分数均较高， 3.1烧结原料硫的质量分数与实际SO2排放质量 一般为0.20%~1.00%因，所以虽然固体燃料配比 浓度的关系计算 相对于混匀矿较小，但带入硫的质量分数仍然较大， (1)假设条件.通过硫平衡计算过程可知，首 尤其是当固体燃料硫含量远高于混匀矿硫含量时. 钢京唐钢铁公司烧结工序硫的总收入量∑S收入为 2.4高炉除尘灰 632.77kgh,烧结矿台时产量为750th-1,计算 高炉除尘灰在烧结原料中的配比较低，在混匀 硫负荷为0.84kgt烧结矿.根据各种烧结原料对 矿、焦粉和熔剂硫含量较高时，高炉除尘灰对废气 废气中S0,质量浓度的影响权重大小作如下假设： S02质量浓度的影响较小.当其他原料硫含量较低 ①返矿平衡，包括高炉返矿平衡和烧结返矿平 而高炉除尘灰自身硫含量较高时，虽然其配比小，但 衡，并且配入返矿和产生返矿硫含量分别相等，所以 带入硫的质量分数将变得很大.如我国某厂家的高 配入返矿带入的硫量和产生返矿残留的硫量相等， 炉干法除尘灰中硫的质量分数达到1.31%，用其等 即S返矿=S返矿； 量替代首钢京唐钢铁公司硫质量分数为0.20%的 ②配入烧结除尘灰带入的硫量等于烧结粉尘 高炉除尘灰，高炉除尘灰带入硫的质量分数将由原 携带的硫量，即S烧结除尘灰=S烧结粉尘： 来的2.62%增至15.94%，可见高炉除尘灰对于废 ③气体燃料带入的硫量为零，即S气体燃料=0； 气$02质量浓度的影响应引起重视 ④烧结过程脱硫率保持不变； 2.5烧结除尘灰 (2)计算分析 目前，国内外钢铁企业普遍将烧结除尘灰全部 将混匀矿、熔剂、固体燃料和高炉除尘灰一起作 返回重新参加烧结配料-，这样在烧结生产稳定、 为烧结混合料，所以有 除尘器效率较高情况下，烧结除尘灰的配入量接近 S混合料=S程r+S筛剂+S假体格料+S省护除尘灰：(（18） 于烧结粉尘的产生量，使得烧结除尘灰在硫收入项 式中，S合料为混合料带入硫的质量，kgh. 中的带入硫的质量分数与硫支出项接近，所以它对 G程合料=G程匀r+G熔剂+G閩体燃料+G高炉除尘灰· 废气$0，质量浓度的影响较小，可以不作考虑 (19) 2.6返矿 式中，G强合料为混合料的上料量，th-. 在烧结生产稳定时，返矿基本能够达到平衡，使 S活合料=G混合料X混合料×10. (20) 得其在收入项和支出项中带入硫的质量分数基本相 式中，X混合料为混合料硫的质量分数 同，如表1所示，两者同为2.88%.所以在返矿平衡 由硫平衡计算过程可知 时，可以将返矿对烧结废气中$O,质量浓度的影响 S混合料+S烧结除尘灰+S运矿+S气体燃料= 看作为收支相抵，影响为零 S烧结矿+S返矿+S烧结粉尘十S烧结废气· (21)

第 10 期 刘征建等: 基于硫平衡计算的低硫烧结原料控制标准 匀矿中配入硫含量较高的铁矿粉，如我国攀钢的钛 精矿( 硫质量分数达到 0. 19% ) ，则混匀矿带入硫的 质量分数将大幅增加． 2. 2 熔剂 熔剂与铁矿粉和焦粉相比，成分波动相对较大， 硫含量也不稳定． 在过去，熔剂对烧结 SO2 质量浓 度的影响一直未得到重视． 但是，随着焙烧石灰所 用燃料硫含量不断增加，使得生石灰硫含量变大; 并 且由于生石灰在改善制粒效果和提高料温等方面的 优势，使得生石灰的配比逐渐变大． 两方面的因素 共同造成生石灰带入硫的质量分数不断增加． 从表 1 可见，由于首钢京唐公司烧结用生石灰硫质量分 数高达 0. 13% ，生石灰带入硫的质量分数很大，达 到 8. 51% ，所以应重视熔剂对烧结 SO2 浓 度 的 影响． 2. 3 固体燃料 无论是焦粉还是无烟煤，硫的质量分数均较高， 一般为 0. 20% ～ 1. 00%［5］，所以虽然固体燃料配比 相对于混匀矿较小，但带入硫的质量分数仍然较大， 尤其是当固体燃料硫含量远高于混匀矿硫含量时． 2. 4 高炉除尘灰 高炉除尘灰在烧结原料中的配比较低，在混匀 矿、焦粉和熔剂硫含量较高时，高炉除尘灰对废气 SO2 质量浓度的影响较小． 当其他原料硫含量较低 而高炉除尘灰自身硫含量较高时，虽然其配比小，但 带入硫的质量分数将变得很大． 如我国某厂家的高 炉干法除尘灰中硫的质量分数达到 1. 31% ，用其等 量替代首钢京唐钢铁公司硫质量分数为 0. 20% 的 高炉除尘灰，高炉除尘灰带入硫的质量分数将由原 来的 2. 62% 增至 15. 94% ，可见高炉除尘灰对于废 气 SO2 质量浓度的影响应引起重视． 2. 5 烧结除尘灰 目前，国内外钢铁企业普遍将烧结除尘灰全部 返回重新参加烧结配料［6--14］，这样在烧结生产稳定、 除尘器效率较高情况下，烧结除尘灰的配入量接近 于烧结粉尘的产生量，使得烧结除尘灰在硫收入项 中的带入硫的质量分数与硫支出项接近，所以它对 废气 SO2 质量浓度的影响较小，可以不作考虑． 2. 6 返矿 在烧结生产稳定时，返矿基本能够达到平衡，使 得其在收入项和支出项中带入硫的质量分数基本相 同，如表 1 所示，两者同为 2. 88% ． 所以在返矿平衡 时，可以将返矿对烧结废气中 SO2 质量浓度的影响 看作为收支相抵，影响为零． 2. 7 气体燃料 如表 1 所示，焦炉煤气带入硫的质量分数最小， 这是由于对于每吨成品烧结矿而言，气体燃料的使 用量远小于混合料量，假设首钢京唐钢铁公司所使 用焦炉煤气中的 H2 S 含量增加 100 倍，带入硫的质 量分数也仅是从 0. 005% 增加到 0. 5% ，带入硫的质 量分数仍然很小，所以气体燃料对烧结废气 SO2 浓 度的影响很小． 综合来看，混匀矿、焦粉和熔剂对烧结废气 SO2 的浓度影响较大; 高炉除尘灰的影响作用视其他原 料硫含量而定，当其他原料硫含量较低时，高炉除尘 灰的影响作用变大，反之亦然; 返矿、烧结除尘灰和 点火气体燃料对烧结废气 SO2 浓度的影响很小，可 以不作考虑． 3 低硫烧结原料控制标准 3. 1 烧结原料硫的质量分数与实际 SO2 排放质量 浓度的关系计算 ( 1) 假设条件． 通过硫平衡计算过程可知，首 钢京唐钢铁公司烧结工序硫的总收入量∑S收入 为 632. 77 kg·h － 1 ，烧结矿台时产量为 750 t·h － 1 ，计算 硫负荷为 0. 84 kg·t － 1 烧结矿． 根据各种烧结原料对 废气中 SO2 质量浓度的影响权重大小作如下假设: ① 返矿平衡，包括高炉返矿平衡和烧结返矿平 衡，并且配入返矿和产生返矿硫含量分别相等，所以 配入返矿带入的硫量和产生返矿残留的硫量相等， 即 S返矿 = S' 返矿; ② 配入烧结除尘灰带入的硫量等于烧结粉尘 携带的硫量，即 S烧结除尘灰 = S' 烧结粉尘; ③ 气体燃料带入的硫量为零，即 S气体燃料 = 0; ④ 烧结过程脱硫率保持不变; ( 2) 计算分析． 将混匀矿、熔剂、固体燃料和高炉除尘灰一起作 为烧结混合料，所以有 S混合料 = S混匀矿 + S熔剂 + S固体燃料 + S高炉除尘灰． ( 18) 式中，S混合料为混合料带入硫的质量，kg·h － 1 ． G混合料 = G混匀矿 + G熔剂 + G固体燃料 + G高炉除尘灰． ( 19) 式中，G混合料为混合料的上料量，t·h － 1 ． S混合料 = G混合料X混合料 × 103 ． ( 20) 式中，X混合料为混合料硫的质量分数． 由硫平衡计算过程可知 S混合料 + S烧结除尘灰 + S返矿 + S气体燃料 = S' 烧结矿 + S' 返矿 + S' 烧结粉尘 + S' 烧结废气． ( 21) ·1111·

·1112 北京科技大学学报 第34卷 根据假设条件有 (燃油燃气锅炉)进行折算.对于不同的烧结机， S混合料=S烧结矿+S绕结废气’ (22) 国家标准规定基准排气量（工作状态）为 因此计算低硫原料中硫的质量分数即计算混合料中 2500m3t-1,S02排放质量浓度限值适用于实际排 硫的质量分数(X滋合料).定义混合料脱硫率)为 气量不高于基准排气量的情况：若实际排气量超过 )-9盟-S粒×10%-猫整×100%. 基准排气量，须按下式将实测S02质量浓度换算为 S混台特 S混合料 S02基准气量排放质量浓度，并以S02基准气量排 (23) 放质量浓度作为判定排放是否达标的依据.烧结 当混合料硫含量变化时，烧结矿硫含量也会随 产量和排气量统计周期为一个工作日， 之发生变化，但根据假设混合料脱硫率η保持常数 Q总C实 C华=Y0华 (26) 不变，所以烧结矿中硫的质量分数X烧结矿可以表 示为 式中：C基为SO2基准气量排放质量浓度，mg·m-3: Xr=1-） Q急为总排气量，m;Y为烧结矿产量，t;Q基为每吨烧 (24) G饶结矿 结矿的基准排气量，m3t;C实为实测S02质量浓 将式(13)、(16)、(17)、(20)、(22)和(24)联合 推导得出 号，则以sC 101325-卫× X强合精=0.081Q描度气(1-C）×273+4, 为判定排放是否达标的依据. 通过计算，首钢京唐钢铁公司烧结工序的 C袋结版气XG温台料义刀 1 ×10-9. (25) 9=1.34>1,即每吨烧结矿的实际排气量大于基 YQ华 根据不同的S02排放质量浓度，通过式(25)进 准排气量，需要按照式(26)将实测S02质量浓度 行计算，结果如表2所示 780mgm-3折算为S02基准气量排放质量浓度，折 表2不同$02排放质量浓度下混合料中硫的质量分数 算结果为1048mgm-3.说明在混合料中硫的质量 Table 2 Sulfur contents in the sintering mixture for different SO2 emis- 分数为0.069%的条件下，实际S02排放质量浓度 sion concentrations 为780mg·m3:但由于每吨烧结矿实际排气量 S02排放质量 600 500 200 100 (3360m3t-,工作状态)大于基准排气量 浓度/(mgm) (2500m3t-),应折算成S02基准气量排放质量浓 X湿合料/% 0.0520.0440.017 0.009 度1048mgm-3,并将1048mgm-3作为判定排放是 目前首钢京唐钢铁公司烧结厂的$02排放质量 否达标的依据. 浓度为780mg·m3,混合料的平均硫质量分数为 下面根据国家标准对于烧结工序$O,排放质量 0.069%.考虑到首钢京唐钢铁公司烧结混合料中 浓度的计量方法，推导混合料硫质量分数X混合样与 焦粉和生石灰的硫含量较高，若将两种原料中硫的 S02排放质量浓度判定指标的关系. 质量分数分别下调至0.20%和0.02%，计算混合料 当9<1时，可将式(26)、式(25)和式(17) 中硫的平均质量分数可以降至0.034%，从表2可 YQ华 联合推导得出 知，调整后的S02排放质量浓度低于500mg'm-3, 同时混合料硫含量的降低对应着成本的大幅增加. X合样=0.00135(1-C) 101325-卫× 273+t, 3.2烧结原料中硫的质量分数与S02排放质量浓 度判定指标的关系 C结rQ整×10-9. C基 (27) G混合料刀 由于各个烧结机的工艺条件有所区别，会造成 每吨烧结矿的排风量也有所不同.当漏风严重 >1时，C基=C结酸气，所以有 当y×Q 时，每吨烧结矿的排风量变大，$O2质量浓度值随之 X混合料=0.081Q结废气.（1-C）× 变小，所以对于不同的烧结机，需要有一个S0,质量 1 (28) 浓度的统一计量方法.在火电行业，国家标准规定 101325-卫xC安× 273+t. ×10-9. 混合料7 对于不同锅炉，应根据实测的烟道O2值首先计算过 从式(27)和(28)可知，在S02排放质量浓度限 剩空气系数α，然后按=1.8（燃煤锅炉）和=1.2 值确定的条件下，当每吨烧结矿的实际排气量小于

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 根据假设条件有 S混合料 = S' 烧结矿 + S' 烧结废气， ( 22) 因此计算低硫原料中硫的质量分数即计算混合料中 硫的质量分数( X混合料) ． 定义混合料脱硫率η'为 η' = S混合料 － S' 烧结矿 S混合料 × 100% = S' 烧结废气 S混合料 × 100% ． ( 23) 当混合料硫含量变化时，烧结矿硫含量也会随 之发生变化，但根据假设混合料脱硫率 η'保持常数 不变，所以烧结矿中硫的质量分数 X' 烧结矿 可 以 表 示为 X' 烧结矿 = S混合料( 1 － η') G' 烧结矿 ． ( 24) 将式( 13) 、( 16) 、( 17) 、( 20) 、( 22) 和( 24) 联合 推导得出 X混合料 = 0. 081Q' 烧结废气，a ( 1 － C' W ) × 101 325 － Pa 273 + ta × C' 烧结废气 × 1 G混合料 × η' × 10 － 9 ． ( 25) 根据不同的 SO2 排放质量浓度，通过式( 25) 进 行计算，结果如表 2 所示． 表 2 不同 SO2 排放质量浓度下混合料中硫的质量分数 Table 2 Sulfur contents in the sintering mixture for different SO2 emis￾sion concentrations SO2 排放质量 浓度/( mg·m － 3 ) 600 500 200 100 X混合料 /% 0. 052 0. 044 0. 017 0. 009 目前首钢京唐钢铁公司烧结厂的 SO2 排放质量 浓度为 780 mg·m － 3 ，混合料的平均硫质量分数为 0. 069% ． 考虑到首钢京唐钢铁公司烧结混合料中 焦粉和生石灰的硫含量较高，若将两种原料中硫的 质量分数分别下调至 0. 20% 和 0. 02% ，计算混合料 中硫的平均质量分数可以降至 0. 034% ，从表 2 可 知，调整后的 SO2 排放质量浓度低于 500 mg·m － 3 ， 同时混合料硫含量的降低对应着成本的大幅增加． 3. 2 烧结原料中硫的质量分数与 SO2 排放质量浓 度判定指标的关系 由于各个烧结机的工艺条件有所区别，会造成 每吨烧结矿的排风量也有所不同［15］． 当漏风严重 时，每吨烧结矿的排风量变大，SO2 质量浓度值随之 变小，所以对于不同的烧结机，需要有一个 SO2 质量 浓度的统一计量方法． 在火电行业，国家标准规定 对于不同锅炉，应根据实测的烟道 O2 值首先计算过 剩空气系数 α，然后按 α = 1. 8( 燃煤锅炉) 和 α = 1. 2 ( 燃油燃气锅炉) 进行折算［16］． 对于不同的烧结机， 国家标准规定基准 排 气 量 ( 工 作 状 态 ) 为 2 500 m3 ·t － 1 ，SO2 排放质量浓度限值适用于实际排 气量不高于基准排气量的情况; 若实际排气量超过 基准排气量，须按下式将实测 SO2 质量浓度换算为 SO2 基准气量排放质量浓度，并以 SO2 基准气量排 放质量浓度作为判定排放是否达标的依据． 烧结矿 产量和排气量统计周期为一个工作日． C基 = Q总 YQ基 ·C实． ( 26) 式中: C基 为 SO2 基准气量排放质量浓度，mg·m － 3 ; Q总为总排气量，m3 ; Y 为烧结矿产量，t; Q基 为每吨烧 结矿的基准排气量，m3 ·t － 1 ; C实 为实测 SO2 质量浓 度，mg·m － 3 ; 若 Q总 YQ基 ＜ 1，则以 SO2 实测质量浓度作 为判定排放是否达标的依据． 通过 计 算，首钢京唐钢铁公司烧结工序的 Q总 YQ基 = 1. 34 ＞ 1，即每吨烧结矿的实际排气量大于基 准排气量，需要按照式( 26) 将实测 SO2 质量浓度 780 mg·m － 3 折算为 SO2 基准气量排放质量浓度，折 算结果为 1 048 mg·m － 3 ． 说明在混合料中硫的质量 分数为 0. 069% 的条件下，实际 SO2 排放质量浓度 为 780 mg·m － 3 ; 但由于每吨烧结矿实际排气量 ( 3 360 m3 ·t － 1 ，工 作 状 态 ) 大于基准排气量 ( 2 500 m3 ·t － 1 ) ，应折算成 SO2 基准气量排放质量浓 度 1048 mg·m － 3 ，并将1048 mg·m － 3 作为判定排放是 否达标的依据． 下面根据国家标准对于烧结工序 SO2 排放质量 浓度的计量方法，推导混合料硫质量分数 X混合料 与 SO2 排放质量浓度判定指标的关系． 当 Q总 YQ基 ＜ 1 时，可将式( 26) 、式( 25) 和式( 17) 联合推导得出 X混合料 = 0. 001 35( 1 － C' W ) × 101 325 － Pa 273 + ta × C基 × G' 烧结矿Q基 G混合料η' × 10 － 9 ． ( 27) 当 Q总 Y × Q基 ＞ 1 时，C基 = C' 烧结废气，所以有 X混合料 = 0. 081Q' 烧结废气，a ( 1 － C' W ) × 101 325 － Pa 273 + ta × C实 × 1 G混合料η' × 10 － 9 ． ( 28) 从式( 27) 和( 28) 可知，在 SO2 排放质量浓度限 值确定的条件下，当每吨烧结矿的实际排气量小于 ·1112·